Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul WARZ berechnet Krempen an Doppelmänteln nach der Bayer Werksnorm 10 (Ausgabe 1969-08). Die Krempe ist das gekrümmte Übergangsstück, mit dem der Doppelmantel (Heiz- oder Kühlmantel) an den Kernbehälter angeschlossen wird; sie kann mit oder ohne Wulst ausgeführt sein. Doppelmantelbehälter mit solchen Anschlüssen sind Standard im Rührwerksbehälterbau der Chemie- und Pharmaindustrie – überall dort, wo Behälterinhalte über den Mantel temperiert werden.
Die Krempe ist beanspruchungstechnisch ein kritisches Detail: Sie überträgt den Manteldruck als Ring- und Biegebeanspruchung in die Behälterwand, und je nach Druckverhältnis zwischen Innenraum und Mantelraum wechseln die Vorzeichen der Beanspruchung. Allgemeine Regelwerke wie die AD 2000-Reihe enthalten für dieses Detail keine geschlossene Berechnungsregel, weshalb sich in der Praxis Werksnormen der Großchemie – hier die Bayer Werksnorm 10 – als anerkannte Berechnungsgrundlage etabliert haben.
Das Modul führt den Festigkeitsnachweis der Krempe für den Betriebs- und den Prüfzustand: mit getrennten Berechnungsdrücken, Festigkeitskennwerten und Sicherheitsbeiwerten für beide Lastfälle sowie Wanddickenzuschlägen für Fertigungstoleranz und Korrosion.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Bayer Werksnorm 10: 1969-08
So läuft die Berechnung ab
- Lastfälle definieren: Für Betrieb und Druckprobe werden Berechnungstemperatur und die jeweiligen Berechnungsdrücke vorgegeben. Beide Lastfälle werden parallel geführt, da bei Doppelmänteln der Prüfzustand (voller Prüfdruck im Mantelraum bei drucklosem Innenbehälter) häufig bemessungsbestimmend ist.
- Werkstoffkennwerte zuordnen: Für die beteiligten Bauteile werden die Werkstoffe mit ihren Festigkeitskennwerten bei Betriebs- und Prüftemperatur sowie die zugehörigen Sicherheitsbeiwerte gewählt; daraus ergeben sich die zulässigen Spannungen für beide Lastfälle.
- Zuschläge ansetzen: Die Wanddickenzuschläge für Wanddickenunterschreitung (Fertigungstoleranz) und Korrosion werden festgelegt und bei der Ermittlung der tragenden Wanddicke berücksichtigt.
- Krempengeometrie nachweisen: Nach dem Berechnungsgang der Bayer Werksnorm 10 wird die Krempe – mit oder ohne Wulst – für die Druckbeanspruchung aus dem Mantelraum nachgewiesen. Die Krempenform (Radius, Wulstausführung) und die Wanddicke werden so bestimmt, dass die Spannungen im Übergang die zulässigen Werte in beiden Lastfällen einhalten.
- Ergebnis bewerten: Ausgewiesen werden die erforderlichen Wanddicken bzw. Ausnutzungsgrade für Betrieb und Probe. Der ungünstigere Lastfall bestimmt die Ausführung.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Berechnungstemperatur | T | – |
| Berechnungsdruck Betrieb | p | – |
| Berechnungsdruck (Probe) | p' | – |
| Ausgeführte Wanddicke der Krempe | ≤ | – |
| Ausgeführte Wanddicke des Außenmantels | ≥ | – |
| Ausgeführte Wanddicke des Innenbehälters | ≤ | – |
| Außendurchmesser des Außenbehälters | Da | – |
| Außendurchmesser des Innenbehälters | Di | – |
| Durchmesser der Krempe | d | – |
| Werkstoff | – | – |
| Kennwert Betrieb | KK | – |
| Kennwert (Probe) | KK' | – |
| Sicherheitsbeiwert Betrieb | SK | – |
| Sicherheitsbeiwert (Probe) | SK' | – |
| Wanddickenzuschlag Wanddickenunterschreitung | c1 | – |
| Wanddickenzuschlag Korrosion | c2 | – |
| Werkstoff | – | – |
| Kennwert Betrieb | KB | – |
| Kennwert (Probe) | KB' | – |
| Sicherheitsbeiwert Betrieb | SB | – |
| Sicherheitsbeiwert (Probe) | SB' | – |
| Durchmesser d' | d' | – |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Ausgeführte Wanddicke der Krempe | ≤ | – |
| Ausgeführte Wanddicke des Außenmantels | ≥ | – |
| Ausgeführte Wanddicke des Innenbehälters | ≤ | – |
| Erforderliche Krempenwanddicke Betrieb | ≤ | – |
| Erforderliche Krempenwanddicke Probe | ≤ | – |
| Variable 24 | ≤ | – |
| Variable 25 | ≥ | – |
| Variable 26 | ≤ | – |
| Variable 27 | ≤ | – |
| Für Betriebsfall | Kmin = S = | – |
| Für Betriebsfall | Kmin = S = | – |
| Für Prüffall | Kmin' = S' = | – |
| Für Prüffall | Kmin' = S' = | – |
Häufige Fragen
Warum wird für die Krempe eine Werksnorm und kein allgemeines Regelwerk verwendet?
Der Krempenanschluss eines Doppelmantels ist ein Sonderdetail, für das die allgemeinen Druckbehälterregelwerke (AD 2000, EN 13445) keine geschlossene Berechnungsformel bereitstellen – dort müsste über Einzelfallnachweise oder FEM gearbeitet werden. Die Werksnormen der Großchemie, darunter die Bayer Werksnorm 10, haben dieses Detail auf Basis langjähriger Betriebserfahrung und Versuchen geregelt und gelten als anerkannte Regel der Technik für diese Bauform. Die Anwendung sollte mit dem Sachverständigen bzw. der benannten Stelle abgestimmt werden.
Was bewirkt der Wulst an der Krempe?
Der Wulst versteift den Krempenübergang und vergrößert das Widerstandsmoment gegen die Biegebeanspruchung aus dem Manteldruck. Krempen mit Wulst erlauben daher höhere Drücke oder geringere Wanddicken als glatte Krempen; dem stehen höherer Fertigungsaufwand und eine anspruchsvollere Umformung gegenüber. Das Modul deckt beide Ausführungen ab.
Welche Lastfälle sind bei Doppelmänteln zu betrachten?
Neben dem Betriebszustand (Manteldruck bei gleichzeitigem Innendruck oder Vakuum im Kernbehälter) ist stets der Prüfzustand zu untersuchen, in dem der Mantelraum mit Prüfdruck beaufschlagt wird, während der Innenbehälter drucklos ist. Zusätzlich ist der Kernbehälter unter dem äußeren Überdruck des Mantelraums auf Einbeulen nachzuweisen – dieser Nachweis erfolgt jedoch nicht in WARZ, sondern mit den Modulen für Außendruckbeanspruchung.
Gilt die Berechnung auch für Halbrohrschlangen-Mäntel?
Nein. Die Werksnorm behandelt den klassischen glatten Doppelmantel mit Krempenanschluss. Halbrohrschlangen werden direkt auf den Behältermantel geschweißt und anders berechnet (örtliche Beanspruchung der Behälterwand, Halbrohrquerschnitt unter Innendruck); ein Krempenübergang existiert dort nicht.